Des chercheurs en biofluides testent l’effet protecteur des masques : les masques bucco-nasaux médicaux peuvent aider à réduire la propagation du virus COVID-19. De simples mesures supplémentaires augmentent encore nettement l’effet protecteur. C’est ce qu’ont confirmé des études systématiques et reproductibles de l’OTH Regensburg à l’aide d’un simulateur de poumons fonctionnant avec des moteurs linéaires de LinMot. Ces derniers ont contribué à ce que les chercheurs puissent réaliser le montage d’essai en quelques jours et commencer les séries de tests.
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Vidéo d’une respiration. D’abord sans masque, ensuite avec masque (vidéo : OTH Regensburg)
La lumière le met en évidence : dans le laboratoire du professeur Lars Krenkel, le laser en éventail rend clairement visible la fumée qui s’échappe sous les bords d’un masque bucco-nasal médical. Elle se compose de particules de 200 nm à 2 μm et convient donc à la modélisation des aérosols expirés par les humains. Lors du test, la fumée s’échappe particulièrement fortement au-dessus des joues et sur le côté des plis nasogéniens du mannequin utilisé. Cela suggère que le personnel médical, comme les ambulanciers ou les anesthésistes, qui restent longtemps au-dessus ou juste à côté de la tête d’un patient malade, s’exposent ainsi à un risque de contagion, même si le patient porte un tel masque. « En principe, les masques ne peuvent pas offrir une protection à 100 %, ne serait-ce qu’en raison de possibles erreurs d’utilisation. Néanmoins, il serait faux de leur dénier complètement un effet protecteur », explique le professeur Krenkel, qui dirige le domaine d’enseignement et de recherche Biofluidmechanik à la faculté de génie mécanique de l’OTH Regensburg. « Avec des mesures d’optimisation simples, il est possible d’obtenir pour les masques bucco-nasaux médicaux un taux de rétention allant jusqu’à 85 % par rapport aux aérosols et d’environ 95 % par rapport aux gouttelettes, ce qui augmente nettement l’effet protecteur ».
Des aérosols contaminés potentiellement plus dangereux
Les épidémiologistes accordent une attention particulière aux aérosols lorsqu’ils examinent les voies d’infection, car ils sont respirables et peuvent rester longtemps en suspension dans l’air par convection.Par aérosols, on entend des particules d’une taille d’environ 100 nm à 5 μm. Elles pénètrent jusque dans les bronches et peuvent y déclencher des pneumonies si elles sont chargées de virus. Les particules de l’ordre de 5 à 10 μm parviennent en revanche au maximum jusqu’à la glotte. Les gouttelettes plus grosses, jusqu’à environ 100 μm, se déposent même déjà dans le nez ou le pharynx et ne provoquent ainsi en général que de légères évolutions de la maladie. Elles sont soumises aux lois de la balistique et ne peuvent pas se maintenir en l’air sur de longues distances (environ 1,5 m seulement). Le danger que représentent les gouttelettes contaminées est donc globalement considéré comme faible ou plus facile à maîtriser. Les particules d’une taille supérieure à 100 μm ne peuvent même pas être inhalées dans des conditions normales. Afin de couvrir toutes les voies de transmission pertinentes des particules, l’équipe du professeur Krenkel étudie les mécanismes de propagation aussi bien des aérosols que des gouttelettes dans des conditions aussi réalistes que possible : « L’essentiel de notre travail de recherche en collaboration avec les cliniques universitaires de Hambourg Eppendorf et de Regensburg consiste à étudier la fonction de protection des masques dans les conditions marginales les plus diverses ainsi qu’à identifier des mesures d’optimisation et à les quantifier ».
Des moteurs linéaires aident les chercheurs
Depuis l’ouverture du laboratoire des écoulements biomédicaux ou biologiques début 2014, l’équipe du professeur Krenkel a déjà acquis une grande expérience dans la mise en place de dispositifs de test pour l’étude expérimentale et numérique des écoulements dans des systèmes biologiques/médicaux, mais aussi techniques. Les chercheurs ont ainsi reproduit et analysé aussi bien des processus dans la circulation sanguine humaine que dans les voies respiratoires. Pour étudier les processus des voies respiratoires, les chercheurs avaient notamment besoin d’un « poumon passif » qui leur permettait de reproduire le comportement pression-volume de l’organe respiratoire humain. Étant donné que la courbe pression-volume n’est pas linéaire, mais en forme de S (sigmoïde), en raison de la compliance du tissu pulmonaire, et qu’elle est différente à l’inspiration et à l’expiration, des appareils simples tels qu’une soufflerie ou similaires n’entraient pas en ligne de compte. Il en allait de même pour la simulation du cœur. Ici aussi, les systèmes simples atteignent rapidement leurs limites. Les pompes excentriques entraînées par un moteur pas à pas ne permettent par exemple que la représentation de dépendances linéaires et n’offrent aux chercheurs que peu de libertés. « Nous avions donc besoin de quelque chose qui soit à la fois rapide et réglable avec précision », explique le professeur Krenkel en résumant les exigences posées à la solution recherchée.
Des chercheurs de l’OTH Regenburg étudient, à l’aide d’un entraîneur respiratoire, l’effet protecteur des masques bucco-nasaux dans la lutte contre la propagation du virus COVID-19. (Photo : Rossmann)
Système moteur-pompe universel
Les chercheurs se sont finalement servis de deux moteurs linéaires LinMot de type PS01-48x240F-C avec indice de protection IP67, qui entraînent chacun le piston d’un système de pompe linéaire cylindrique. Un système de vannes permet de réguler la pression et d’introduire des fluides (air, substitut de sang) par cylindre. Les moteurs linéaires sont alimentés par des régulateurs LinMot et sont contrôlés et coordonnés par un système de commande industriel souvent utilisé dans les machines. Dans leur travail, les chercheurs profitent de la flexibilité qu’offrent les moteurs linéaires. Le système d’essai peut simuler de manière réaliste et reproductible le comportement pression-volume à pulsation continue d’un cœur sain, ou également d’un cœur malade. Les chercheurs ont utilisé le même système pour simuler un poumon passif capable de reproduire les conséquences des changements dus à la maladie. Cela inclut la distribution de l’air entre les lobes des poumons.
Obtenir plus rapidement les premiers résultats des tests
La flexibilité du système a récemment aidé les chercheurs lorsque la pandémie aiguë de COVID-19 a exigé des réponses à court terme à la question urgente de savoir dans quelle mesure les masques bucco-nasaux médicaux étaient adaptés à la protection du personnel médical. Lorsque début mars 2020, des hôpitaux ont posé cette question aux chercheurs du professeur Krenkel, ceux-ci ont développé en quelques jours un dispositif de test correspondant, dans lequel les moteurs linéaires jouent également un rôle important. Dans le dispositif de test, ils constituent le cœur d’un système respiratoire artificiel et génèrent un flux respiratoire variable. Grâce à des paramètres programmables « accélération », « vitesse de déplacement » et « course », les chercheurs ont pu mettre en œuvre différents scénarios respiratoires tels que la respiration normale, la toux ou la respiration hypoxique à peu de frais. Pour ce faire, ils ont créé différents profils de mouvement à l’aide de l’outil d’ingénierie et de configuration LinMot Talk. À partir de l’interface utilisateur du contrôleur industriel, les chercheurs peuvent enregistrer ces profils et les appeler directement à partir du programme de commande, dans n’importe quel ordre, et si nécessaire, même pendant que le programme est en cours d’exécution. Lors de la création des profils, les chercheurs ont été aidés par le fait que la relation course-volume est proportionnelle pour la combinaison d’un moteur linéaire et d’une pompe linéaire, de sorte que les courbes que l’on trouve fréquemment dans la documentation et qui montrent le volume en fonction du temps étaient faciles à mettre en œuvre.
Automatisation des tests avec des composants industriels
« Nous avons également trouvé avantageux de pouvoir combiner les moteurs LinMot avec des systèmes très universels et très avancés, tels que les contrôleurs Beckhoff ou B&R. Ces sociétés proposent également une large gamme de modules d’E/S et d’interface différents », explique le professeur Krenkel. « Nous pouvons automatiser complètement l’ensemble des essais, synchroniser les systèmes et garantir ainsi une reproductibilité élevée. » Par exemple, le générateur d’aérosols et la vanne qui commande l’alimentation de la pompe linéaire sont reliés à une borne de sortie de 24 V, de sorte que les particules peuvent être aspirées par le piston de la pompe au moment précis où elles sont nécessaires.
Conclusion
« À la mi-mai 2020, les données montrent que les masques médicaux peuvent retenir 65 % à 75 % des aérosols au niveau primaire, selon leur conception. Au niveau auxiliaire, l’efficacité du filtre dépend fortement de la qualité de l’ajustement du masque et de la constitution physique du porteur », explique le professeur Krenkel, résumant les résultats d’une série de tests effectués pendant six semaines. « Grâce à des mesures simples, telles que la fixation du masque par un ruban adhésif sur les côtés, 85 % des aérosols peuvent être retenus et la fuite d’air non filtré sur les côtés peut être complètement éliminée. » Le fait que les chercheurs aient pu disposer de premiers résultats d’essais reproductibles en quelques jours seulement est dû en partie à l’utilisation du système de moteur linéaire très flexible de LinMot, qui peut être utilisé dans de nombreux domaines de la mécanique des biofluides, réduisant ainsi le temps et les efforts nécessaires à la mise en place de scénarios d’essais complexes. Le professeur Krenkel a donc l’intention d’utiliser de plus en plus le système de moteur linéaire dans d’autres projets de recherche.
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